JPH01249681A - 金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、表面にモリブデンもしくは／かつタングステ
ンの金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体及びその
製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

窒化アルミニウム（ΔρＮ）焼結体は熱伝導性が高く、
機械的強度も優れていることからＩＣ用絶縁基板をはじ
め多くの分野で注目されている。しかし、窒化アルミニ
ウム焼結体は金属との濡れ性が悪く、電力用Ｉ・ランジ
スタをはじめ各種のＩＣ用基板等として用いるた必表面
に金属層を積層しようよしても満足な接着強度が？ηら
れないという欠点があった。そこで、各種の方法でＡｆ
ｆＮ焼結体表面の金属化が試みられているが、まだ満足
な方法は提案されていない。

他方、酸化アルミニウム（Ａｇ２Ｏ３）焼結体の金属化
技術として、タンクステン、タンクステン−マンガン、
モリブデン、モリブデン・マンガンのペース１−を焼結
体表面に塗布し、加湿水素又は加湿フォーミングガス中
において１３００℃〜１７００℃の温度で焼成するテレ
フンケン法が知られている。

この方法の特徴は加湿雰囲気中において、Δρ２０３焼
結体中のガラス相が軟化する温度で焼成する点にあり、
この焼成によりＷ、Ｍｏ及びＭｎの表面が酸化されてＷ
　、　Ｗ’　−ＭｎＭｏ又はＭｏ−Ｍｎペーストの焼結
を促進するだけでなく、これらの酸化物が焼結体のガラ
ス相に溶は込んでガラスの流動性を良くし、ガラス相は
多孔質のＷ、Ｗ−Ｍｎ）４０又はｕｎ　−Ｍｎ金属化層
に移動する。更に、焼成により生成した酸化物、特にＭ
ｎＯは焼結体中のΔＬＯ３及び５１０２と反応してＭｎ
Ｏ・Ａｇ２Ｏ３及びＭｎ０−３ｉ０２を形成する。同じ
くＷ又はＭＯは一部Ｗ又はＭｏが酸化され、酸化タング
ステン或いは酸化モリブデンとアルミナが強固に反応す
る。

このようにして、Ｗ、ｉｌｏ又はＷ　−Ｍｎ、　Ｍｏ−
Ｍｎの金属化層はハク２０３焼結体と機械的及び化学的
結合により強固に接着され、その接着強度は約４〜７Ｋ
ｇ／ｍｍ２程度になる。

かかるテレフンケン法によりＡｆｆＮ焼結体のメタライ
ズを試みても、■加湿雰囲気で焼成するのでＡβＮ焼結
体表面が水蒸気により腐食され又は変質して脆いＡｌ２
２０３層が生成すること、■Ａｌ２Ｎ焼結体中にはＡｆ
ｆ２０．焼結体のように約１０００〜１５００℃の低温
で軟化するガラス相等が存在しないこと、■ＡＱＮとＷ
Ｍｏ、Ｍｎ及びこれらの酸化物とは反応性に乏しいこと
等の理由により、得られるＷＭｏ又はＷ−ＭｎＬｔｏ−
Ｍｎの金属化層は接着強度が小さく気密性も極めて悪か
った。

ΔｆｆＮ焼結体をＩＣ用基板等として用いる場合、金属
化層の接着強度が小さいと製造工程の熱ザイクルで剥離
しやすく、また金属化層の気密性が悪い古強度が劣るだ
（・Ｊでなく満足な封止性が得られない等の問題がある
。

本発明者等は、テレフンケン法をＡρＮ焼結体の金属化
に応用するため、Ｗ、Ｍｏ又はＷ−Ｍｎ、Ｍｏ−Ｍｎペ
ース）−中に、ＣａＯ−ＡＲ２０、、ＣａＯ−ＡｆｆＯ
ＮあるいはＣａ０−Ａｌｘ等の添加助剤を添加して不活
性雰囲気中で焼成する方法を試みたところ、前記の接着
強度及び気密性の問題を解決することができた。

上記の添加助剤の組成では、１４００℃以下より融液が
発生し、へ１２Ｎ焼結体表面を十分に濡らし、強固に密
着することが認められた。しかしながら、金属化層の気
密性を得るために、Ｗ又はＭｏを十分に焼成せしめるた
めには１７００℃以上で焼成することが必要であり、そ
のためにＡρＮ焼結体中の粒界成分のＣａＯ−Ａｆｆ　
２０３系、　　Ｙ２Ｏ３−ＡＲ２０，系の化合物と、上
記の添加助剤との相互拡散や反応が生じて、金属化層が
形成されているＡｆｆＮ表面から約１００μｍはど内部
に変質層が認められた。この変質層によってＡρＮ焼結
体の特徴である高熱伝導性が大きく■害され、本来の作
用が認められなかった。

例えば２２０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するＡρＮ焼結体
表面に、上記の金属化層を焼成して形成せしめたところ
、Ａｌ２Ｎ焼結体の熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫに低下し
た。そして変質面を取り除くと、本来の２２０Ｗ／ｍＫ
の値が得られた。

このように、接着強度及び気密性の問題は解決したもの
のＡｊ２Ｎ焼結体表面に変質層が生じ、熱伝導率を大き
く低下してしまうという新たな問題点が生じた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

高強度、高気密性ばかりでなく、Ａｌｘの高熱伝導性を
損なわないＭｏもしくはかつＷの金属化面を有する窒化
アルミニウム焼結体及びその製造方法を提供することを
目的とする。

〔問題を解決するだめの手段〕

Ｍｏまたは／およびＷの金属化層に含有する助剤とＡρ
Ｎ焼結体中の粒界層を構成する物質との反応。

拡散を抑え、そしてＭＯもしくはＷ金属から十分に焼結
しＡｆｆＮ基板と強固に接着せしめる方法及び構造を明
らかにする。

０１．４００℃〜１６００℃でＷまたはＭＯの焼結を促
進すること ・金属化層中に生じた融液がＡρＮ表面及び上記の金属
面を十分に濡らし、強固に接着せしめること ・しかもその融液がＡρＮ焼結体内に余り拡散６反応せ
ずにへβＮ表面層に熱伝導率低下を招くような反応層を
生じないこと を明らかにする。

〔作用〕

カルシウム、ストロンチウム及びバリウムのフッ化物も
しくは酸化物の粉末は、酸化アルミニウム、酸窒化アル
ミニウムもしくは窒化アルミニウムの粉末との混合物は
容易に反応して、窒素もし。

くは窒素−水素１４００℃〜１５００℃程度加熱するこ
とで融液が生じることが認められた。しかもＡρＮ焼結
体表面に十分に濡れ強固に密着していることがわかった
。従ってこれらの混合物をＭｏまたはＷ粉末および有機
バインダーと共に混練してＭｏまたはＷペーストを作製
した。これらのペーストをスクリーン印刷によってＡＲ
Ｎ基板表面に所定のパターンを印刷し］、、５００．１
７００℃−３０ｍ１ｎ窒素中で焼成した。前者のサンプ
ルはＭＯおよびＷ金属の焼結性は不十分で、気密性は得
られなかったが、ＡρＮ基板中に変質層は認められなか
った。

また」１記のペーストに混入した助剤の混合物によって
生じた融液は、ハρＮ表面及びＭｏもしくはＷ粒を十分
に個らし、強固に密着していることが認められた。しか
しながら、後者のサンプルについてはＭｏ、　　Ｗ金属
層はＡρＮと強固に接着し、気密性は得られたがＡρＮ
焼結体中の表面部に変質層が生じていることが認められ
た。前者のサンプルの焼成条件で金属層の焼結性の向」
二について鋭意努力したところ、」１記のＭｏまたはＷ
ペーストに微量のＮｉもしくは／かつＣｕの粉末を添加
したところ、それら金属層の焼結性は著しく促進するこ
きが認められた。

このＮｉもしくはＣｕの粉末はＭｏもしくはＷ粒の表面
々反応して焼結性が向上したものと思われる。

この焼結促進の効果はＮｉ、　Ｃｕ金属の他にＣｕ−Ｎ
ｉ合金、　Ｃｕ−Ｍｏ、　Ｃｕ−Ｗ　、　Ｎｉ−Ｍｏ、
　Ｎｉ−Ｃｕ、　Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｏ、　Ｃｕ　−Ｎｉ　
−Ｗ合金も認められた。なおＣｕ、　Ｎｉの酸化物も焼
成の際に分解してＮｉ、　Ｃｕ金属となるので、全く同
様の作用効果を奏するものである。

なお焼成雰囲気としてはＮ２１（２（混合ガス）気流中
で行なうと、さらに金属層の焼結性に効果があった。

従って、本件の発案はカルシウム、ストロンチウム、バ
リウム化合物から選ばれた一種以上の粉末とアルミニウ
ム化合物の粉末と共に、銅、ニッケルの金属１合金、酸
化物から選ばれた一秤量」二の粉末をタングステンまた
は／およびモリブデン金属に有機バインダーと共に添加
して混練せしめた金属ペーストを窒化アルミニウム焼結
体の表面に塗布して窒素中もしくは窒素−水素雰囲気中
で焼成した構造もしくは製造に関する。

ペーストに含有した混合助剤の融液とＮ１もしくはＣｕ
金金属台合金効果によって比較的低温で、ＡｆｆＮの熱
伝導率の低下が極めて少なく、高強度、高気密性のＷも
しくは／かつＭｏの金属化面を設けることが出来る。構
成したサンプルの構造は、金属化層中に焼結したＭｏも
しくは／かつＷの金属面、その機構部並びにＡＲＮとそ
れらの金属面の間に、ペーストに添加された助剤もしく
はその反応物が介在している。Ｎ１もしくはＣｕの金属
や合金は、金属層中の特にＷもしくは／かつＭｏ金属面
の粒界に、上記の助剤もしくはその反応物と共に存在し
ている。なお金属化層上にＮｉ等のメツキを施せば気密
性を一層高めることが出来る。

酸化カルシウム、ストロンヂウム、バリウム以外のそれ
らの金属塩である硝酸塩、炭酸塩及び硫酸塩であっても
焼成の際に分解して酸化物となるので、全く同様の作用
効果を奏するものである。

」１記のカルシウム、ストロンチウム、バリウム化合物
の粉末及びアルミニウド化合物の粉末は、Ｗ、Ｍｏペー
スト中の含有量がわずかであっても上記の作用効果を奏
するものであるが、カルシウム。

ストロンチウム、バリウム化合物の粉末の添加最は、モ
リブデンもしくは／かつタングステン１００重量部に対
して１〜３５重量部、後者のアルミニウム化合物の粉末
の添加量は、モリブデンもしくは／かつタングステン１
００重量部に対して同じく１〜３５重量部であることが
特に好ましい。いずれの成分も１重量部未満であれば接
合強度が低下し、また３５重量部を越えると金属化面の
熱伝導率が低下する。

銅、ニッケル、その合金およびその化合物は金属化面の
焼結促進に効果がある。その添加量はタングステンまた
モリブデン１００重量部に対して、０、００１〜１０部
が好適である。１０重量部を越えるとタングステン、モ
リブデン等と合金化するので好ましくない。

これらの助剤をそれ以上添加ずれば、別の問題が生じる
可能性がある。つまり焼成時に生じた融液の量が多くな
り、一部がＷまたは／およびＭｏ表面中に析出する。そ
の表面にメツキを施してもメツキのイ」着性が問題とな
る。

特にＷ　、　ＣａＯ、Ａｇ２Ｏ３＋　Ｎ＋粉末からなる
Ｗペーストによって１４００〜１５００℃でＮ２−１−
１２雰囲気中で焼成せしめたものが特に良い。また、Ａ
ρＮ焼結体については、どのような粒界組成２Ｍｌ織を
有するものでも良いが、特に高熱伝導性を特徴とするメ
タライズ法について言及ずれば、粒界層の厚みが小さく
、ＡＲＮ焼結体に占める量が少なく、粒界層を構成して
いる組成物の融点の高いものが特に好ましい。要するに
焼成時にペーストに含まれる助剤きの反応性、拡散量を
考慮する必要があり、好ましいＡＲＮ焼結体は熱伝導率
が１８０Ｗ／ｍＫ以上であり、希土類元素が０．０１〜
１．０重量パーセント。

酸素を０．００１〜０，５重重パーセントを含み、Ａｆ
ｆＮの平均結晶粒径が５μｍ以上のあるものである。

なお、金属化層の厚みは５〜３０μｍと、非常に薄くし
かも熱伝導率が良好であるので、その層によって金属化
面つきＡＲＮの熱伝導率の低下はほとんどバ忍められな
かっｌこ。

実施例１ 下表に示す様な成分の粉末、タングステンもしくはモリ
ブデン粉末及び有１幾バインダーと共に混錬してタンク
ステンモリブデンベース）・を作製した。ハ１２Ｎ焼結
体表面に所定のパターンでスフＩＪ　−ン印刷を施し、
Ｎ２あるいはＮ　２−１（。雰囲気下で焼成した。引張
強度の測定は２ｍｍ角のパッドの形状に形成せしめた金
属化面表面に２〜３μｍＮｉメツキを施した後、０．８
ｍｍφのコパール線を、金属化表面に対して垂直方向に
８３０　ｔで銀ロウ付をした。そして垂直引張強度を測
定した。また金属化面付きＡＲＮの熱伝導率測定法は、
金属化表面にＮｌ。

Ａｕメツキを施した後、電界効果型トランジスターをＡ
ｕメツキ表面にＡｕロウ付で搭載せしめた。そしてＡＶ
ａｖ法でその１−ランシスターが生ずる過渡的熱抵抗値
よりＡｆｆＮ焼結体の熱伝導率を算出した。

なお焼成前のＡＲＮの熱伝導率は２２０Ｗ　／　ｍＫで
あっブこ　。

また、上記の比較例の成分で１６００℃以下でＮ２゜Ｎ
２−Ｎ２およびそれらの加湿雰囲気で焼成を試みたが、
引張強度が２Ｋｇ／ｍｍ２以下と低く、実用レベルに達
していない。そして加湿雰囲気で焼成したものは、Ａｆ
ｆＮ表面に変質しているのが認められた。

実施例のザンプルについて気密性試験（Ｎｉメ・ツキ処
理済のザンプル）をＨｅ　ＩＪ−り法で調べたところ、
リークレートがＩＱ−”　ａｔｍＣ［：　／　ｓｅｃオ
ーダーであり、極めて良好であることがわかった。また
比較例では１７００℃焼成のものは、クリアーしたが、
１６００℃以下焼成のものすべて−１，０−’ａｔｍ　
ＣＣ／　ｓｅｃ以下で実用レベルには達していないこと
がわかった。

なお表中のカッコ（）内の数字はＭｏ、　　Ｗ粉末の重
量部１．００に対しての添加粉末の重量部を示している
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、タングステンもしくはモリブデンのベ
ースト中にカルシウム、ストロンチウム６もしくは／か
つバリウム化合物と、アルミニウム化合物とそしてＮ１
もしくは／かつＣｕの金属，合金。

酸化物を添加混合させることにより、窒化アルミニウム
焼結体に塗布したペーストの焼成を不活性雰囲気もしく
は還元雰囲気中で実施でき、しかも窒化アルミニウム焼
結体と強固に接着した気密性の高い、しかもＡｌｘの熱
伝導率の低下が小さいタングステンもしくはモリブデン
の金属化面を得ることができる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属化面を有する窒化アルミニウム焼結体におい
   て、該金属化面が銅、ニッケル、モリブデンおよびタン
   グステン、およびそれらの合金、それらの化合物からな
   る群より１種または２種以上、カルシウム化合物、スト
   ロンチウム化合物およびバリウム化合物およびそれらの
   混合物、固溶体からなる群より１種または２種以上とア
   ルミニウム化合物が含有されてなることを特徴とする金
   属化面を有する窒化アルミニウム焼結体。
2. （２）請求項１記載の金属化面を有する窒化アルミニウ
   ム焼結体を搭載した半導体装置。
3. （３）銅、ニッケル、モリブデンおよびタングステンお
   よびそれらの合金、化合物からなる群より１種または２
   種以上、カルシウム化合物、ストロンチウム化合物およ
   びバリウム化合物およびそれらの混合物、固溶体からな
   る群より１種または２種以上とアルミニウム化合物、有
   機バインダーを混練せしめた金属ペーストを窒化アルミ
   ニウム焼結体面に塗布し、これを不活性雰囲気、もしく
   は還元性雰囲気で焼成して焼結体表面に金属化層を形成
   することを特徴とする金属化面を有する窒化アルミニウ
   ム焼結体の製造方法。